Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Целью данной работы являлось экспериментальное и методами численного моделирования исследования формирования и распределения пространственного заряда и электрического поля при облучении заряженными частицами неполярного среза одноосного сегнетоэлектрика MgOLN и [100]-среза PMN-PT, экспериментальное изучение особенностей формирования и эволюции доменных структур в пластинах MgOLN при облучении ионным пучком неполярного среза кристалла, а также развитие методов сканирующей электронной микроскопии для определения ориентации доменов в монокристаллах PMN-PT. Были выполнены работы и получены следующие основные результаты. Проведено исследование закономерности изменения поверхностного потенциала от величины внедряемого заряда (времени облучения) и энергии заряженных частиц после облучения электронным и ионным пучком неполярного Y-среза ниобата лития легированного магнием (MgOLN) и магнониобата-титаната свинца (PMN-PT), находящегося при комнатной температуре в тетрагональной фазе. Определено, что в релаксации поверхностного потенциала участвуют два процесса: (1) быстрый процесс со средним характерным временем tfast порядка 1 часа для электронов и 0,5 часа для ионов, (2) медленный процесс с характерным времени tslow варьирующегося в диапазоне от 5 до 25 часов для электронов и от 1 до 12 часов для ионов. Характерные времена релаксации при облучении электронами и ионами отличаются в 1,5-2 раза, что объяснено низкой пороговой дозой формирования доменов при облучении ионным пучком, и расходом избыточной части инжектированного заряда на экранирование возникающих деполяризующих полей при формировании доменов, тогда как при облучении электронным пучком формирование доменов в том же диапазоне доз не происходило. Показано, что релаксационные процессы препятствуют эффективному накоплению заряда для инициации процесса переключения поляризации. Процесс переключения начинается лишь тогда, когда инжектированный заряд превысит некоторое пороговое значение, характерное для данного материала. Установлено, что пороговые дозы для начала переключения при облучении электронным и ионным пучком отличаются в 2000 раз, что объясняется различием в подвижности электронов и дырок, т.е. зарядов, создающих переключающее поле. Исследование динамики накопление заряда при облучении электронной пучком кристаллов MgOLN показало, что захваченный заряд Q_S при насыщении равен 1,1 нКл, а характерное время зарядки τ составляет 36,2 с. Показано, что при облучении заряженными частицами [100]-среза PMN-PT происходит малое накопление заряда на поверхности, что объяснено высокой проводимостью PMN-PT и сверхбыстрой релаксацией, вследствие чего формирование доменной структуры без искусственного диэлектрического слоя невозможно. Показано, что использование поверхностного диэлектрического слоя (резиста) позволяет локализовать заряд на поверхности без значительного растекания в течение значительного периода времени, что дает возможность осуществлять формирование доменов. Проведено численное моделирование процесса зарядки поверхности при облучении неполярного среза ниобата лития сфокусированным пучком ионов Ga+. Показано, что значения радиальной компоненты напряженности электрического поля составляют величины порядка 10^7 В/м в зоне инжекции ионов и превышают значение деполяризующего поля для LN, что означает, что при заданных параметрах эксперимента облучение пучком ионов образца приводит к накоплению заряда, поле которого способно инициировать процесс переключения поляризации в ориентированных против поля доменах. Установлено, что зависимость максимума поля имеет нелинейный вид, что приводит к нелинейной зависимости длины доменов от дозы облучения. Показано, что при облучении ионным пучком на неполярных срезах MgOLN формируются клиновидные домены, вытянутые вдоль полярной оси с нелинейной зависимостью длины и ширины от величины внедряемого заряда. Полученные результаты отличаются от линейной зависимости, полученной при локальном переключении проводящим зондом и переключении электронным пучком на неполярном срезе кристаллов ниобата лития, что отнесено за счет нелинейной динамикой накопления заряда, который создает электрическое поле переключения, что подтверждается данным компьютерного моделирования. Установлено, что увеличение величины тока приводило к увеличению длины доменов на 17% и ширины на 35%, что обусловлено увеличением размеров ионного пучка на поверхности с увеличением тока. Показано, что происходит значительное уменьшение размеров доменов с увеличением энергии ионов, что отличается экспериментального факта, который наблюдался при облучении электронным пучком неполярного среза кристаллов LN. Данный факт отнесен за счет различных зависимостей выхода вторичных электронов и ионов: вторичная электронная эмиссия уменьшается с ростом энергии, в то время как вторичная ионная эмиссия увеличивается. Показано, что использование искусственного диэлектрического слоя позволяет увеличить длину и ширину клиновидных доменов до 2 раз, что отнесено за счет лучшей локализацией внедряемого заряда в слое резиста. Выявлено, что геометрические параметры доменов на X- и Y-срезах совпадают в пределах погрешности. Выявлено, максимальная глубина домена при дозе 1 пКл составила 65 нм. Компьютерное моделирование показало, что глубина проникновения ионов достигает 40 нм, а принимая во внимания расчеты глубины распыления материала под действием ионов, глубина проникновения составила 60-80 нм, что согласуется с экспериментальными данными по глубине доменов. Выявлено, что длина доменов зависит от расстояния между точками записи (периода доменных структур). Установлено существования трех различных ситуаций: (1) отсутствие взаимодействия, при котором домены имеют одинаковую длину (периоды более 40 мкм), (2) увеличение длины центральных доменов (периоды 3-40 мкм), (3) чередование длин доменов (периоды менее 3 мкм). Путем компьютерного моделирования показано, что распределение полярной компоненты электрического поля от системы зарядов демонстрирует уменьшение поля при движении от центра к краю облученной серии точек, что обусловлено уменьшением вклада в суммарном поле зарядов при уменьшении количества «соседей», что объясняет увеличение длины центральных доменов. Сравнительное исследование длин доменных структур с маленьким периодом позволило выявить режимы взаимодействия: (1) однородный, (2) прерывистый квазипериодический, (3) хаотический. Разработаны методики определения ориентации доменов в кристаллах PMN-PT и LN на основе методов сканирующей электронной микроскопии. Методы базируются на явлениях каналирования электронов и дифракции отраженных электронов с использованием компьютерного моделирования на основе динамической теории дифракции электронов и «индексации по словарю». Продемонстрировано, что метод на основе индексации по картинам каналирования электронов имеет простую геометрию и может быть реализован практически на любом современном СЭМ, имеющем гониометр и детектор отраженных электронов, а расчетная часть требует лишь наличия производительной компьютерной системы. Создано оригинальное программное обеспечение для обработки экспериментальных данных, данных компьютерного моделирования и индексации кристаллографических ориентаций на основе подхода «индексация по словарю». Разработанная методика позволила провести ориентационное картирование сегнетоэлектрических доменов в кристаллах PMN-PT, и продемонстрирована ориентационная карта с разделением с- и а-доменов. Показано, что ориентационные карты имеют высокую однородность, а угловое разрешение методики определяется лишь выборкой пространства и размером словаря. Было показано, что индексация дифракционных картин Кикучи на основе динамической дифракции позволяет различать 180 градусные домены в ниобате лития, что демонстрирует преимущество над кинетической теорий дифракции, не чувствительной к инверсии ячейки и, и индексации ориентаций на основе преобразования Хаффа, используемых в коммерческих системах. Кроме того, вопреки утверждению из литературных данных о необходимости использования детектора высокого разрешения была продемонстрирована возможность использования детектора с разрешением в 4 раза ниже. Использование сочетания различных метрик подобия изображений позволило определить ориентации доменов многоосного сегнетоэлектрика PMN-PT с погрешностью менее 1° и разделить не только c- и a-домены, а также 180° с-домены. Полученные результаты дают новые представления о закономерностях накопления и релаксации поверхностного заряда и формировании доменной структуры при облучении неполярных срезов сегнетоэлектриков заряженными частицами, и могут служить научной основой для бесконтактных методов получения доменных структур микронного и субмикронного размеров для различных нелинейно-оптических и электрооптических применений. Результаты работ по проекту представлены на российских и международных конференциях, подготовлена и принята к публикации статья в международном рецензируемом издании, индексируемом в Web of Science и Scopus.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Целью данной работы являлось изучение закономерностей формирования доменной структуры при облучении электронным и ионным пучками монокристаллов PMN-PT, вырезанных перпендикулярно [100]-кристаллографическому направлению и поляризованных вдоль [001]-направления, исследование температурной стабильности созданных доменных структур и разработка методик создания регулярных доменных структур на основе облучения пучками заряженных частиц неполярных срезов монокристаллов LN и PMN-PT. Были получены следующие основные результаты. Изучено изменение доменной структуры при растровом сканировании электронным пучком кристаллов PMN-PT. Методом оптической микроскопии (ОМ) показано, что в результате растрового сканирования происходит образование множества клиновидных доменов, вытянутых вдоль [001]-направления, с основаниями, находящимися в области сканирования и расположенных на различной глубине от облученной поверхности. Увеличение дозы приводило к уширению и удлинению формируемых структур. Методами СМПО и СЭМ выявлено, что доменная структура лишь частично выходит на поверхность в виде дугообразного домена по периметру облученной области, тогда как основная часть клиновидных доменов, видимых в ОМ, находится под поверхностью. Изучено формирование доменной структуры при локальном облучении сфокусированным электронным пучком кристаллов PMN-PT. Показано, что формирование доменов при облучении электронным пучком свободной поверхности [100]-среза PMN-PT невозможно, что отнесено за счет быстрой релаксации внедренного заряда, обусловленной относительно высокой проводимостью кристаллов. Продемонстрировано, что использование поверхностного искусственного диэлектрического слоя (резиста) при облучении пучками заряженных частиц позволяет локализовать заряд в слое резиста вблизи поверхности кристалла без значительного растекания в течение значительного периода времени, аналогично тому, как это было показано ранее при облучении полярной поверхности ряда сегнетоэлектрических материалов. Установлено, что облучение кристаллов PMN-PT со слоем резиста на облучаемой поверхности приводит к формированию доменов клиновидной формы, вытянутых вдоль [001]-направления. СМПО изображения доменов демонстрируют два контраста: (1) область серповидной формы вблизи точки облучения соответствующая поверхностной части домена, (2) область в форме клина – подповерхностная часть. Пороговая доза для формирования изолированных доменов составила 12 пКл. Выявлено, что увеличение дозы приводит к нелинейному увеличение длины и ширины основания клиновидных доменов, что отнесено за счет нелинейной зависимости размеров области с полярной компонентой электрического поля выше порогового значения. Определены ориентации вектора спонтанной поляризации в созданных доменах с использованием регистрация латерального и вертикального СМПО отклика. Показано, что при облучении электронным пучком образуются клиновидные домены вдоль [001]-направления, наблюдающиеся преимущественно в латеральном сигнале со смещением фазы на 180 градусов в областях рядом с точками облучения. Большая часть переключенных клиновидных доменов хорошо различима в сигнале амплитуды, тогда как в смещении фазы незначительно, что объясняется тем, что клиновидная часть доменов находится на небольшой глубине под поверхностью образца. Таким образом, созданные домены являются с-доменами с ориентацией поляризации вдоль [001]-оси и 180 градусными доменными стенками. Изучено формирование доменной структуры при облучении ионным пучком в монокристаллах PMN-PT. Установлено, что пороговая доза для формирования доменов облучением ионным пучком в кристаллах PMN-PT составляет 1 пКл. Показано, что в результате точечного облучения ионным пучком (100)-поверхности PMN-PT образуются клиновидные домены, ориентированные вдоль [00-1]-направления. При облучении свободной поверхности переключенные домены представляют собой небольшой клиновидный домен с выраженным «хвостом», который является подповерхностной частью домена, а при облучении поверхности с нанесенным искусственным диэлектрическим слоем образуется полностью поверхностный домен клиновидной формы с утолщением в районе основания домена, что обусловлено тем, что при облучении свободной поверхности заряд располагается под поверхностью вследствие распыления поверхности ионным пучком, тогда как при облучении поверхности с резистом заряд располагается вблизи поверхности образца в слое резиста. Выявлено, что увеличение дозы приводит к нелинейному увеличению длины и ширины основания клиновидных доменов. Проведён расчет распределения электрического поля для объяснения полученных дозовых зависимостей размеров доменов и показано, что ширина доменов определяется шириной области, в которой величина электрического поля, созданного инжектированным зарядом, превышает пороговое значение кристалла. При этом увеличение ширины домена вызвано генерацией ступеней за счет полярной компоненты поля инжектированного заряда. Предполагая постоянное аспектное соотношение доменов, длина домена пропорциональна ширине основания домена, при этом рост в полярном направление происходит за счет движения кинков в поле соседних заряженных кинков. Было показано, что подповерхностная клиновидная часть нестабильна со временем и полностью исчезает спустя месяц, что отнесено за счет самопроизвольного обратного переключения под действием не полностью скомпенсированного деполяризующего поля. Исследовано взаимодействие доменов при изменении расстояния (периода) между облучаемыми точками в кристаллах PMN-PT со свободной поверхностью и покрытых слоем резиста. Показано, что уменьшение периода приводит к увеличению длины центральных доменов, что объясняется вкладом в переключающее поле поля всех инжектированных зарядов. Для периодов более 30 мкм наблюдается отсутствие взаимодействие как для образцов со слоем резиста, так и для свободной поверхности. Обнаружено, что дозовые зависимости ширины основания клиновидных доменов имеют максимум при расстояниях между точками облучения 10 мкм. Меньшая ширина доменов при периодах менее 10 мкм может быть объяснена электростатическим взаимодействием заряженных доменных стенок, которое подавляет латеральный рост доменов. Исследование доменной структуры при помощи СМПО показало, что в кристаллах со свободной поверхностью и покрытых слоем резиста доменная структура имеет выраженный латеральный отклик со смещением фазы на 180 градусов между исходной доменной структурой и переключенными доменами, что свидетельствует о наличии 180-градусных доменных стенок. Таким образом, переключенные домены имеют поляризацию вдоль [001]-оси, то есть являются с-доменами. Исследована температурная стабильность доменной структуры, созданной в кристаллах PMN-PT с поверхностным слоем резиста путем облучения ионным пучком. Визуализация доменной структуры методом СМПО показала, что домены, созданные ионным пучком, подвержены значительному изменению при в малом температурном диапазоне, что затрудняет их использование для создания РДС для практических применений. Выявленный эффект может быть отнесен за счет ускорения релаксации механических напряжений, приводящее в результате к изменениям в созданных доменных структурах. Разработаны методики создания регулярных доменных структур на основе облучения пучками заряженных частиц неполярных срезов монокристаллов LN и PMN-PT. С целью определения оптимальных параметров для создания регулярных доменных структур (РДС) в кристаллах LN проведено детальное исследование влияния поверхностного диэлектрического слоя на формирования доменов на неполярном срезе монокристаллов LN. Показано, что использование резиста приводит к существенному увеличению как длины, так и латеральных размеров доменов в MgOLN по сравнению с образцами без покрытия. Показано, что при увеличении энергии ионов происходит увеличение размеров доменов, что отнесено за счет увеличения скорости травления слоя резиста с увеличением энергии и уменьшением расстояния между внедренным зарядом и поверхностью кристалла. Выявлено, что длина и ширина основания клиновидных доменов в приделах погрешности не зависят от величины тока пучка, что объяснено определяющим вкладом размера области рассеяния ионов в слое резиста вблизи поверхности кристалла. Обнаружено, что домен в объеме также имеет клиновидную форму, при этом максимальная глубина домена при дозе 100 пКл составила 400 нм. Стоит отметить, что глубина доменов в образцах со свободной поверхностью и покрытой слоем резиста практически не отличались. Показано, что нелинейный характер зависимости глубины доменов от дозы может быть отнесен за счет зависимости величины поля от дозы. Отмечено, что выявленная глубина доменов более 300 нм позволяет рассматривать возможность создания регулярных доменных структур ионным пучком для практических применений в элементах интегральной оптики на основе, например, тонких плёнок ниобата лития LNOI (ниобат лития на изоляторе) с «гребневыми» волноводами или волноводами, полученными методом протонного обмена. Проведено сравнительное исследование взаимодействия изолированных доменов на Y-срезе кристаллов MgOLN со свободной поверхностью и покрытой слоем резиста. Обнаружено, что длина доменов зависит от периода записываемых доменных структур. Существуют три различные ситуации: (1) периоды более 40 мкм, где отсутствует взаимодействие и все домены в серии имеют одинаковую длину, (2) периоды от 5 до 40 мкм, где наблюдается увеличение длины центральных доменов, (3) периоды менее 5 мкм, где наблюдается чередование длины доменов. Выявленный эффект отнесен за счет уменьшения поля при движении от центра к краю облученной серии точек, что обусловлено уменьшением вклада в суммарном поле зарядов при уменьшении количества «соседей». Изучено взаимодействие доменов при периодах менее 5 мкм. Анализ возвратных карт показал, что в отличие от формирования доменов в кристаллах со свободной поверхностью, можно выделить всего лишь два режима взаимодействия для различных интервалов между точками в каждом ряду: (1) однородный и (2) хаотический. Показано, что среднее значение длины доменов и среднеквадратичное отклонения убывают с увеличением расстояния между доменами, указывая, во-первых, на уменьшения вклада суммарного поля внедренных зарядов, во-вторых, на уменьшение взаимодействия заряженных доменных стенок – переход от хаотического режима к однородному. Проведена оценка зависимости переключенного заряда от дозы и показано, что переключенный заряд нелинейно возрастает с дозой, что отнесено за счет нелинейной зависимости глубины и ширины основания домена от дозы. Показано, что при последовательном точечном облучении при перемещении ионного пучка вдоль полярной оси, т. е. против направления роста доменов, на расстояния меньше длины, соответствующей длине свободного домена при той же дозе, не происходит слияния клиновидных доменов, что объяснено замедлением прямого прорастания и прекращением удлинения домена за счет взаимодействия положительных зарядов на острие клинообразных доменов с инжектированными положительными ионами. Выявленный эффект приводит к образованию дополнительных клиновидных доменов на наклонной доменной стенке, аналогичному переключению с металлическими электродами. Обнаружено, что в результате облучения квадратных матриц точек в кристаллах PMN-PT формируется доменная структура в виде полукруга (серпа) с множеством клиновидных доменов, а в результате облучения матриц точек ионным пучком формировались клиновидные домены, которые аналогично доменам в LN, не сливались вдоль направления роста и были существенно короче изолированных доменов, созданных при тех же дозах. Таким образом, сделан вывод, что формирование РДС возможно лишь при облучении рядов точек, но принимая во внимание временную и температурную нестабильность доменов, созданных на (100)-срезе [001]-поляризованного кристалла PMN-PT, их практическое использование не представляется возможным. Полученные данные по взаимодействию доменов позволили оптимизировать процесс создания РДС в кристаллах MgOLN c малыми периодами. Изготовлены образцы с РДС периодом около 2 мкм и показана генерация второй гармоники. Исследовано формирование доменов облучением ионным и электронным пучками в волноводах, полученных методом мягкого протонного обмена. Предложен альтернативный метод определения профиля показателя преломления волновода, основанный на описании сигнатуры генерации второй гармоники. Показано, что облучение электронным и ионным пучками для формирования доменов могут быть использованы для формирования РДС в канальных волноводах, созданных методом протонного обмена. Полученные результаты дают новые представления о формировании доменной структуры при облучении пучками заряженных частиц неполярного среза PMN-PT, температурной стабильности созданных доменных структур, а также методике создания регулярных доменных структур на основе облучения пучками заряженных частиц неполярных срезов монокристаллов LN и PMN-PT. Полученные данные послужат научной основой для разивития бесконтактных методов получения регулярных доменных структур микронного и субмикронного размеров для различных нелинейно-оптических и электрооптических применений. Результаты работ по проекту за отчетный период представлены на российских и международных конференциях, а также опубликованы три статьи в международных рецензируемых изданиях, индексируемых в Web of Science и Scopus, одно из которых принадлежит Q1.